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雷曉雨[1]申雪靜[2]閆雪峰[3]
([1] 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072， [2] 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240
[3] 中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013；)

摘  要：地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括地基承載力計(jì)算、地基變形計(jì)算和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算。承載力計(jì)算中要涉及到基底壓力Pk的確定和承載力深度修正；變形計(jì)算要求基底附加壓力P0；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算需要確定基礎(chǔ)反力。當(dāng)?shù)鼗写嬖诘叵滤畷r(shí)，基底壓力、基底附加壓力、基礎(chǔ)反力的計(jì)算，以及對(duì)地基承載力進(jìn)行深度修正就變得比較復(fù)雜。本文通過討論地下水對(duì)基底壓力、基底附加壓力、基礎(chǔ)反力和承載力深度修正的影響，給出了上述設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞：地下水；基底壓力；基礎(chǔ)反力；基底附加壓力；深度修正
中圖分類號(hào)：TU473.1      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：       文章編號(hào)：
作者簡介：雷曉雨(1983– )，男，漢族，河北唐山人，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院在讀博士，從事地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與研究。
Groundwater Impact in The Design of Building Foundation
 LEI Xiao-yu [1], SHEN Xue-jing [2]YAN Xue-feng [3]
( [1] School Of Civil Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072. [2] School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering , Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200240 [3]China BuildingTechnique Group Co.Led, Beijing 100013)
Abstract: Building foundation design includes the calculations of subgrade bearing capacity, subsoil deformation and foundation design. Bearing capacity is involved in the determination of base pressure Pk and depth correction; Deformation calculation requires solution of base supplementary pressure P0; The foundation reaction force need to be identified in the calculations of foundation design.When groundwater exists in the subgrade foundation soils, the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and that how to correct depth become more complicated. Through discussing the impact of groundwater in the calculation of base pressure, foundation reaction force, base supplementary pressure and depth correction of bearing capacity, this paper educes the calculation method of these design parameters.
Key words: groundwater; base pressure; foundation reaction force; base supplementary pressure; depth correction

0  引    言
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）（后簡稱《地基規(guī)范》）[1]，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行如下計(jì)算：
（1）    承載力計(jì)算：
基礎(chǔ)底面壓力， 應(yīng)滿足下式要求：
當(dāng)軸心荷載作用時(shí)，
P_k≤Fa                                                                                            （1）
式中Pk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值。并有：
                                                                                    （2）
式中Fk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重；A為基礎(chǔ)底面面積。fa為修正后的地基承載力特征值。
（2）    承載力深度修正：
在（1）式中，fa是修正后的地基承載力特征值，《地基規(guī)范》 條文說明指出“目前建筑工程大量存在著主裙樓一體的結(jié)構(gòu)，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)地基承載力的深度修正，宜將基礎(chǔ)底面以上范圍內(nèi)的荷載，按基礎(chǔ)兩側(cè)的超載考慮，當(dāng)超載寬度大于基礎(chǔ)寬度兩倍時(shí)，可將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深，基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時(shí)，取小值。”
（3）    變形計(jì)算：
P0是對(duì)應(yīng)于荷載準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，《地基規(guī)范》計(jì)算地基變形需要確定P0；
（4）    基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算：
基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涉及基礎(chǔ)反力的求解，它是基礎(chǔ)斷面配筋計(jì)算的重要參數(shù)。
對(duì)基礎(chǔ)基底壓力pk、基底附加壓力po、基礎(chǔ)反力在有地下水情況下如何確定，以及當(dāng)對(duì)地基做深度修正時(shí)，基礎(chǔ)一側(cè)有建筑荷載，要將超載折算成當(dāng)量土層厚度，在有地下水的情況下，如何將超載折算成當(dāng)量土層厚度，本文都將做進(jìn)一步討論。

1  地下水對(duì)基底壓力的影響
基底壓力Pk是基礎(chǔ)底面與地基之間產(chǎn)生的接觸壓力，它是基礎(chǔ)作用在地基土上的有效應(yīng)力。在地基承載力計(jì)算中，特別是存在地下水的情況如何合理確定基地壓力Pk，下面分四種情況進(jìn)行討論，見圖1：

 

圖1 存在地下水時(shí)的地基示意圖
Fig. 1 The diagram of foundation when groundwater exists

在圖1（a）中，地下水位在基底以下，這時(shí)的基底壓力按（2）式計(jì)算，即： 。
同樣，圖1（b）和圖1（c）中的基礎(chǔ)底面分別處在隔水層和隔水層以下，基礎(chǔ)沒有受到水浮力的作用，基底壓力Pk按（2）式計(jì)算。
圖1（d）中，基礎(chǔ)底面位于地下水位以下隔水層以上，基礎(chǔ)受地下水的作用，基底壓力應(yīng)扣除地下水的浮力，基底壓力為：
                    （3）
 ——水的容重。
根據(jù)《地基規(guī)范》[1]，在地基承載力計(jì)算中，當(dāng)軸心荷載作用時(shí)，基底壓力，應(yīng)符合下式要求：
P_k≤Fa                                    （4）
Pk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值。
fa——修正后的地基承載力特征值。

2  地下水對(duì)基礎(chǔ)反力的影響
基礎(chǔ)反力是基礎(chǔ)底面受到的總的作用力，不是基底壓力的反作用力,數(shù)值不一定與基底壓力相同。
當(dāng)基礎(chǔ)底面沒有受到地下水作用，如圖1中（a）（b）（c）的情況，基礎(chǔ)底面只受到土體的作用，這個(gè)力與基底壓力大小相等方向相反，是基底壓力的反作用力，即：
                      （5）
R——基礎(chǔ)反力。
當(dāng)基礎(chǔ)底面在地下水位以下，如圖1（d），基礎(chǔ)底面既受到土體的作用（基底壓力的反作用力），又受到地下水的作用（浮力），兩者方向相同，共同作用在基礎(chǔ)的底面上，這時(shí)基礎(chǔ)反力值為基底壓力反作用力與水的浮力之和。即：
                         （6）
將（3）式 ，代入（6）式得：
（7）
可見，地基中有無地下水，基礎(chǔ)反力的計(jì)算結(jié)果不變，可以認(rèn)為基礎(chǔ)反力大小與地下水位無關(guān)。

3  地下水對(duì)基底附加壓力的影響
地基變形計(jì)算需要確定基地附加壓力P0，P0是指由于外荷載的作用，使地基產(chǎn)生變形的那一部分壓力，是有效應(yīng)力?；赘郊訅毫Φ扔诨讐毫鄢恋淖灾貞?yīng)力，即：
（8）
P——基底壓力準(zhǔn)永久組合值。
γ——天然地基容重，水下用有效容重。
D——基礎(chǔ)埋深。
當(dāng)?shù)鼗杏械叵滤绾未_定P0，通過一個(gè)算例加以討論：
例1：如圖2，某建筑物平面尺寸為20×20m，基礎(chǔ)埋深為D=4m，傳到基礎(chǔ)底面的荷載（準(zhǔn)永久組合）為200kN/m2，該處地基為密實(shí)中砂，土的重度為20kN/m3，（1）無地下水（2）地下水位于室外地面下2m，求基底附加壓力。

圖2 基底附加壓力算例示意圖
Fig. 2 The diagram of example with basic additional pressure

（1）地基中無地下水，上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)底面的荷載就是基底壓力P，根據(jù)（8）式得：

（2）地基中有地下水，傳到基礎(chǔ)底面的荷載并不是有效應(yīng)力，不等于基底壓力，要求基底壓力應(yīng)先扣除地下水的浮力，即：

根據(jù)（8）式：

 （3）水位標(biāo)高同天然地面標(biāo)高
基底壓力

根據(jù)（8）式： 

通過以上討論可以看出，在地基變形計(jì)算中，確定基底附加壓力的值可以不考慮地下水的作用。

4  地下水對(duì)地基承載力深度修正的影響
對(duì)地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)，當(dāng)兩側(cè)超載均為土體，應(yīng)取基礎(chǔ)埋深較淺一側(cè)進(jìn)行深度修正；當(dāng)?shù)鼗袩o地下水，基礎(chǔ)兩側(cè)超載一側(cè)為土體，另一側(cè)為建筑物（基底壓力滿足線性分布條件），可將超載折算成土層厚度，按照埋深較淺一側(cè)進(jìn)行深度修正；當(dāng)?shù)鼗写嬖诘叵滤一A(chǔ)兩側(cè)超載一側(cè)為土體，另一側(cè)為建筑物的情況，深度修正問題就變得比較復(fù)雜，下面通過一個(gè)算例做一探討。
例2：某建筑，主樓左側(cè)為埋深d=10m的土層，右側(cè)為裙房，裙房作用在基礎(chǔ)底面的豎向壓力為180kpa，且裙房寬度大于等于主樓基礎(chǔ)寬度的2倍，地下水位在距地表5m的位置，基礎(chǔ)底面上下均為粘粒含量小于10%的粉土（根據(jù)《地基規(guī)范》，查表5.2.4得基礎(chǔ)埋深地基承載力修正系數(shù) ），土層具體物理力學(xué)指標(biāo)見圖3，對(duì)地基承載力進(jìn)行深度修正：

圖3 主樓兩端超載示意圖
Fig. 3 The diagram of the main building with overloads

a 選取超載較小的一側(cè)作為控制深度
主樓左側(cè)：作用在基礎(chǔ)底面處的自重應(yīng)力：

基礎(chǔ)底面地基土受的有效壓力即為150kpa。
主樓右側(cè)：裙房作用在基礎(chǔ)底面的豎向壓力180kpa，扣除水的浮力，得到裙房下地基土受到的有效壓力

根據(jù)《地基規(guī)范》當(dāng)基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時(shí)，取小值。本例中應(yīng)選取主樓右側(cè)建筑物超載控制深度修正量。
b承載力深度修正方法的探討
方法1，將裙房荷載轉(zhuǎn)換成當(dāng)量土層，地下水位不變。
按裙房豎向壓力180kpa，將其折算為重度為 厚度為9m的土層，地下水位不變，見圖4

圖4 按照方法1修正后的主樓基礎(chǔ)示意圖
Fig. 4 The diagram of the main basis after amendment by means of the first method

按方法1將建筑物超載折算成9m厚土層的加權(quán)平均重度：

深度修正量：

方法2，將裙房荷載扣除水的浮力后準(zhǔn)換成當(dāng)量無地下水的土層。
把裙房下地基土受到的有效壓力130kpa等效為重度 ，厚度6.5m無地下水的土層，見圖5

圖5 按照方法2修正后的主樓基礎(chǔ)示意圖
Fig. 5 The diagram of the main basis after amendment by means of the second method

按方法2將建筑物超載折算成6.5m厚土層的加權(quán)平均重度：

深度修正量：

通過深度修正量的比較，方法2小于方法1的修正量，方法2更為安全，建議應(yīng)采用方法2進(jìn)行修正。

5  結(jié)    論
通過以上討論，可以得出如下結(jié)論：
（1）    當(dāng)基礎(chǔ)底面處于地下水位以下隔水層以上，應(yīng)考慮地下水位對(duì)基底壓力的影響，并按照（2）式求??；
（2）    在地基變形計(jì)算中，地基中有無地下水對(duì)基底附加壓力P0的數(shù)值沒有影響；
（3）    計(jì)算基礎(chǔ)反力時(shí)可不考慮地下水的作用；
（4）    對(duì)地基承載力做深度修正，當(dāng)?shù)鼗写嬖诘叵滤?，基礎(chǔ)兩側(cè)超載一側(cè)為土體，一側(cè)為建筑物超載，且深度修正由建筑物超載控制，在選擇修正方法時(shí)，宜采用深度修正量小的方法進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)：
[1] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50007-2002）[S]，中國建筑工業(yè)出版社，2002(Code for design of building foundation (GB 5007-2002)[S],China building industry press 2002)

作者簡介：雷曉雨(1983– )，男，河北唐山人，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院博士研究生，從事地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與研究。
工作單位：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院
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